Tương lai của nguồn tài nguyên năng lượng phân tán

Các nguồn năng lượng phân tán sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng carbon thấp một cách thông minh và linh hoạt. Một nghiên cứu mới đã phát triển công cụ lập kế hoạch liên ngành (cross-disciplinary) cho thấy năng lượng phân tán sẽ mang lại hiệu quả.

Hệ thống năng lượng đang trải qua quá trình chuyển đổi sâu sắc: một số mô hình cũ trở nên mờ nhạt và các tầm nhìn mới cần được phát triển để đối mặt với những thách thức mà biến đổi khí hậu, sự khan hiếm tài nguyên và đô thị hoá sẽ mang lại trong một, hai thập kỷ tới.

Nhu cầu điện dự kiến tăng ở mức chưa từng có, đặc biệt ở các nước đang phát triển, nơi mà các siêu đô thị đóng một vai trò đầu tầu cho sự phát triển của khu vực này. Ngoài ra, để thực hiện Hiệp định Khí hậu Paris, các thành phố và các cơ sở hạ tầng đang được kêu gọi giảm lượng khí thải carbon. Sự gia tăng chia sẻ các nguồn năng lượng tái tạo phân tán (Distributed renewable energy – DER) sẽ đóng vai trò quan trọng để đạt được mục tiêu này. Trên thực tế, các cơ sở hạ tầng điện năng trong nhiều thập kỷ với mô hình sản xuất và phân phối dựa trên nhiên liệu hóa thạch một cách cứng nhắc đã được thay thế bằng một mô hình mới và linh hoạt nhờ hợp nhất và phân tán các nguồn nguồn năng lượng tái tạo. Các mô hình năng lượng phân tán mới hiện đang ngày càng được sự chú ý trong các tài liệu nghiên cứu, phần nhiều cũng nhờ vào các cơ sở hạ tầng ngày càng được số hóa. Điều này giúp dữ liệu trở nên dồi dào và cung cấp khả năng kiểm soát chưa từng có đối với sự ổn định của mạng lưới, ngay cả trong trường hợp có những xáo trộn và đứt đoạn tương tác với người tiêu dùng. Trong khi đó, bản thân người tiêu dùng cũng tích cực tương tác hơn, trở thành một phần không thể tách rời của hệ thống phân phối điện và được gọi là “nhà sản xuất kiêm tiêu dùng” (prosumers).

Bất chấp những bước tiến này, sự kết hợp của các yếu tố vô hình (chẳng hạn như ảnh hưởng của hành vi tiêu dùng), sự thiếu hụt cung và thiếu các mô hình quản lý phù hợp đang hạn chế sự phát triển toàn diện của các hệ thống phân phối điện phân tán. Theo một nghiên cứu của Đại học Stanford (Hoa Kỳ), những hạn chế này có thể khắc phục bằng cách xây dựng hệ thống hỗ trợ quá trình ra quyết định. Theo đó, hệ thống này sẽ đi sâu vào hướng triển khai toàn diện DER bằng cách tích hợp các yếu tố phức hợp về xã hội-kỹ thuật trong một mô hình khung liên ngành để quy hoạch cơ sở hạ tầng và phát điện phân tán.

Thông qua giới thiệu mô hình ReMatch, các nhà nghiên cứu đã phát triển một công cụ lập kế hoạch mới kết hợp kỹ thuật, dữ liệu khoa học và hành vi người tiêu dùng để nghiên cứu một cách có hệ thống việc triển khai DER. Mô hình ReMatch sau đó được áp dụng cho nghiên cứu tình huống với sự tham gia của 10.000 khách hàng ở California, Hoa Kỳ.

Ưu điểm của ReMatch là cấu trúc của nó dựa trên năm thành phần tích hợp: phân tích cơ sở hạ tầng từ dưới lên (bottom-up), mô tả hành vi người tiêu dùng dựa vào dữ liệu và hệ thống quản lý nhu cầu, mô hình hóa sự thiếu ổn định dựa trên các kịch bản, tối ưu hóa việc lập kế hoạch và vận hành. Với cách tiếp cận liên ngành, năm thành phần này có thể giải quyết được số lượng lớn hồ sơ người tiêu dùng và các giải pháp hạ tầng, từ mô hình hòn đảo thuần túy (trong đó người tiêu dùng hoàn toàn bị cô lập khỏi lưới điện chính) đến mô hình kết nối mạng lưới điện thuần túy (nơi người tiêu dùng không có khả năng tự sản xuất điện). Các hệ thống lưu trữ và các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau cũng được xem xét, đồng thời các cơ sở hạ tầng được khai thác, xây dựng dần dần và được hạn chế khi có trở ngại về địa hình ở mỗi khu vực. Với cách tiếp cận xây dựng lũy tiến này, ReMatch khác biệt với cách tiếp cận phổ biến trong các tài liệu khi các cơ sở hạ tầng được xây dựng đồng thời.

Hành vi tiêu dùng được mô hình hóa với cách tiếp cận dựa trên dữ liệu, trên cơ sở phân tích điện kế thông minh, giúp cung cấp các hồ sơ tiêu dùng khác nhau và được kết hợp một cách hợp lý với các hồ sơ và quy mô phát điện. Khả năng kết hợp người tiêu dùng và cơ sở hạ tầng này là đặc điểm quan trọng của khung ReMatch, khiến việc ứng dụng nó có thể mang lại những kết quả thú vị cho cả các nhà khai thác mạng lưới điện phân phối và người tiêu dùng. Nghiên cứu của Đại học Stanford cho thấy rằng việc xây dựng cơ sở hạ tầng DER làm giảm gần 50% chi phí quy dẫn của điện (tức là giá trị hiện tại ròng của đơn vị điện trong suốt thời gian sản xuất). Kết quả này là do mức giảm đáng kể chi phí hoạt động so với mức cơ sở không lắp đặt DER. Hơn nữa, giảm chi phí vận hành sẽ giúp tiết kiệm chi phí tổng thể (trên 60%), trong khi việc thực hiện quản lý nhu cầu điện cũng có những tác động mang tính tổng hợp giúp tiết kiệm thêm. Theo kết luận của các nhà nghiên cứu, điều quan trọng là thiết kế các chương trình thông minh phù hợp cùng các chính sách mục tiêu và ưu đãi nhằm giúp cân bằng nhiều kiểu người tiêu dùng khác nhau trong các kế hoạch phát triển DER trên nền tảng lưới điện hiện có. Với các chính sách này, sự phối hợp tối ưu của người tiêu dùng có thể được lựa chọn để trở thành một phần của các mô hình tiện ích mới nổi như một cộng đồng “nhà sản xuất kiêm tiêu dùng” có tổ chức.

Tập trung vào vai trò của các “nhà sản xuất kiêm tiêu dùng”, nghiên cứu của Đại học Stanford đã làm sáng tỏ viễn cảnh hấp dẫn cho tương lai của hệ thống phân phối điện năng. Hệ thống này có lẽ đang dần chuyển hướng sang mô hình tiện ích công dân, cho phép trao đổi ngang hàng nguồn điện từ các nguồn tái tạo, như bước đầu tiên của một thị trường năng lượng phân tán sâu rộng hơn. Việc áp dụng các công nghệ chuỗi khối (blockchain) hiện nay tạo điều kiện cho việc kinh doanh điện trong một thị trường phi tập trung, minh bạch và an toàn. Các nghiên cứu tình huống gần đây đã khai thác vai trò của công nghệ chuỗi khối đối với xe điện. Đồng thời, một loại tiền tệ kỹ thuật số mới (NRGcoin), dựa trên các giao thức chuỗi khối, đã được đưa vào thương mại năng lượng tái tạo trong các lưới điện thông minh. Những tiến bộ này nhanh chóng tạo ra một mạng lưới điện tương lai ngày càng thách thức mô hình thông thường mà các tiện ích và nhà hoạch định chính sách đã vận hành trong nhiều thập kỷ. Những người tham gia thị trường sẽ buộc phải tìm ra một vai trò mới và khác biệt phụ thuộc vào các khung quy định và các cơ chế thị trường mới để tận dụng đầy đủ tiềm năng của DER. Điều này có nghĩa là các thị trường năng lượng trong tương lai sẽ rất khác với những gì chúng ta từng trải nghiệm từ trước đến nay.

Nguồn: Facchini, A., 2017. Distributed energy resources: Planning for the future. Nature Energy, 2, p.17129. Truy cập tại: http://bit.ly/btcs537

PanNature biên dịch